C++：指针：智能指针(一)：智能指针及其类型，手写智能指针

本文主要学习内容：

指针在C/C++中的重要性

指针用于访问程序外部的资源，例如堆内存。因此，如果在堆内存中创建了任何东西，则可以用指针访问堆内存。

普通指针出现的问题

我们先通过此例来了解：普通指针面对的主要问题是什么：

#include
using namespace std;
class Rectangle
{
 private:
     int length;
     int breadth;
}
void fun()
{
	// By taking a pointer p and dynamically creating object of class rectangle
	Rectangle* p = new Rectangle();
}
int main()
{
	// Infinite loop
	while(1)
	{
		fun();
	}
}

上述代码：

1. 创建一个指针"p" ，指向一个矩形类型的对象，该对象具有长度和宽度。 一旦函数
2. fun结束，将删除该“p”，因为p是函数的局部变量，该变量将终止，但是在堆内部分配的新矩形不会被释放，更不会被删除。
3. 因为每次创建的对象，都不会被删除，因此它可能会导致内存泄漏，如果一直循环下去，在某一阶段，由于缺少堆内存，程序将崩溃 因此，
4. 在fun() 的最后，如果我们不提及这一点 “delete p” ， 这将会导致非常严重的问题
5. 但是由于程序员的粗心，这种类型的问题是会出现的，因此，为了帮助程序员C++11承担责任并引入了 智能指针。

为什么引入智能指针

• 上面我们介绍了堆内存的问题在于，当不需要它时，必须将自身释放，否则就会出现内存泄漏，这将可能导致程序无内存可用，最终引发崩溃。
• 因此，诸如 java , C#, .Net Framework 之类的语言提供了垃圾回收机制来取消分配但未使用的对象。
• 那么对于C++ ，它在 C++11 中，引入了自动管理内存的智能指针，当指针不在作用域内时，他们将在不使用时自动释放对象，从而自动释放内存。
• 使用智能指针，我们可以使指针以不需要显式调用 delete的方式工作，智能指针是指针的包装类， 带有 *和-> 重载运算符，智能指针类的对象看起来像一个指针，但是可以执行普通指针不喜欢自动销毁的事情 。
• 
  - 总数所述，智能指针是一个类，这个类中带有 ：构造函数，析构函数，重载运算符(如：->和)，那么当这个类的生命周期超出其作用域时，就会自动调用析构函数，而析构函数里面一般又会做释放对象的操作，这样就达到释放内存的目的。*

那么智能指针如何自动销毁对象了 ？

• 设计一个类，这个类带有指针，析构函数和重载运算符(例如： *和->) ，由于当对象超出范围时会自动调用析构函数，因此动态分配的内存将自动删除(或 可以减少引用计数)引用计数的对象一旦为零，那么就会自动调用析构函数，这个时候动态分配的内存也会被删除。
• 看下面例子：一个简单的智能指针类 ptr

#include
using namespace std;
class SmartPtr
{
	int* ptr;  // Actual pointer
public:
    // for use of explicit keyword
    explicit SmartPtr(int* p = NULL) {
         ptr = p;
    }
   // Destructor function
   ~SmartPtr(){
       delete(ptr);
   }
   // overloading dereferencing operator
   int&  operator*()
   {
       return *ptr;
   }
}

int main(){
    // 构造SmartPtr对象 ptr
	SmartPtr ptr(new int());
	// 重载了 operatpr*() 操作符
	*ptr = 20;
	cout << *ptr;
	return 0;
}

在编写一个：适用于所有类型的智能指针。
是的，我们可以用模板编写通用的智能指针类，以下是C++ 代码演示了相同的过程。

智能指针的类型

1：SharedPtr 带引用计数的智能指针

这种智能指针的应用是最广泛的。

tmplate<class T>
class SharedPtr
{
public:
	SharedPtr(T* Ptr)
	     :_ptr(ptr)
	     ,_pCount(new long(1))
	{}
   SharedPtr(const SharedPtr<T>& sp)
        :_ptr(sp._ptr)
        :_pCount(sp._pCount)
   {
        ++(*_pCount);
   }
   SharedPtr<T>& operator=(const SharedPtr<T>& sp)
   {
		if (this != &sp){
        	_pCount = sp._pCount;
        	_ptr = sp._ptr;
        	++(*_pCount);
        }	
        return *this;
   }
   ~SharedPtr()
   {
		if(--(*_pCount) ==0)
		{
		    _del(_ptr);
		    delete _pCount;
        }
   }
protected:
   T*  _ptr;
   long* _pCount;
}

智能指针原理

• 智能指针(smart pointer)的一种通用实现技术是使用引用计数(reference count)。
• 智能指针类将一个计数器与类指向的对象相关联，引用计数跟踪该类有多少个对象的指针指向同一对象。

手写智能指针

v0.1版本

#include
using namespace std;
template<class T>
class Smart_ptr
{
public:
	Smart_ptr(T* ptr = nullptr)
	{
		mptr = ptr;
    }
    ~Smart_ptr(){
        delete mptr;
    }
private:
   T* mptr;
}

int main(){
     // 以前的写法
     // int* p = new int;
     //  delete p;
     // 现在替换成下面智能指针的方式
	Smart_ptr<int> sp(new int);
	return 0;
}

• 这个在栈上构造的对象sp 一旦走出作用域就会被自动析构掉，析构函数会删掉指针，那么指针也就释放呢。

v0.2 给智能指针增加一点功能

重载操作符(* 和 ->)让其具备裸指针的一些功能

#include
using namespace std;
template<class T>
class Smart_ptr
{
public:
	Smart_ptr(T* ptr = nullptr)
	{
		mptr = ptr;
    }
    ~Smart_ptr(){
        delete mptr;
    }
    T& operator*(){
    	return *(this->mptr);
    }
    T* operator->(){
		return this->mptr;
    }
private:
   T* mptr;
}

int main(){
	Smart_ptr<int> sp(new int);
	*sp = 20;
	cout << *sp << endl;
	return 0;
}

v0.3 不带引用计数的指针

在版本 v0.2中，上面代码是不带引用计数的，那么它会暴露如下问题

int main()
{   
    Smart_ptr<int> sp(new int);
    Smart_ptr<int> ps(sp);
	return 0;
}

很显然在V0.2b版本中，如果出现上面情况，就会发生崩溃，这是为什么了？
因为在出作用域后，ps 先先析构，把资源释放了，等到 sp 再次析构的时候，就有资源释放了。

解决方案

1. 我们 在析构的时候，将指针置空，有用吗？答案并没有作用

~Smart_ptr(){
	delete mptr;
	mptr = nullptr;
}

• 首先我们要明白的是：这个问题出现的原因是浅拷贝带来的，因为浅拷贝并不会将资源拷贝到另一块内存区域。
• 那么我们写一个深拷贝了 ？把资源拷贝到另一块区域，当析构的时候，你走你的，我走我的，这样是可以的
• 但是这就违背了我们的初衷，我们希望裸指针能做的，智能指针都需要实现。

v0.4 智能指针升级版

带引用计数的智能指针：shared_ptr和 weak_ptr，可以使用多个智能指针管理同一个资源，实现方式就是：给每一个对象资源匹配一个引用计数。

#include
using namespace std;
template<class TT>
class Refcnt
{
public:
    Refcnt(TT* ptr = nullptr)
    {
		mptr = ptr;
 	    if(mptr) {mcount = 1;}
    }
	void addRef()
	{
		mcount++;
    }
    int delRef()
    {
    	return --mcount;
    }
private:
    TT* mptr;
    int mcount;
}

template<class T>
class smart_ptr
{
	smart_ptr(T* ptr = nullptr)
	{
		mptr = ptr;
		mRefCnt = new Refcnt<T>(mptr);
    }
    ~smart_ptr()
    {
		if(0 ==mRefcnt->delRef())
		{
		     delete ptr;
		     mptr = nullptr;
        }
    }
     T& operator*(){
    	return *(this->mptr);
    }
    T* operator->(){
		return this->mptr;
    }
    smart_ptr<T>& operator=(smart_ptr<T> ptr)
    {
		if(this == &ptr)
		{
		    return *this;
        }
		if(0==mRefcnt->delRef())
		{
		     delete mptr;
        }
        mptr = ptr.mptr;
        mRefcnt = ptr->mRefcnt;
        mRefcnt->addRef();
        return *this;
    }
 private:
     T* mptr; // 指向资源
     Refcnt<T>*  mRefcnt;// 指向引用计数
}

int main()
{
    smart_ptr<int> sp(new int); 
    smart_ptr<int> ps(sp);
    return 0;	
}

v0.5 智能指针循环引用问题

在v0.4版本中，使用 shared_ptr 这个称为强指针，强指针有个很严重的问题就是：循环引用或者交叉引用。